# 数据通信基本概念


# 信源

  • 信源,是产生各类信息的实体。信源给出的符号是不确定的,可用随机变量及其统计特性描述。

# 信道

  • 通信的通道

# 信宿

  • 信息接收者指在信息传递过程中,发出信息一方称发信息者,接受信息的一方称信息接受者,又称受信息或信宿。

# 数字信号

  • 数字信号是信息用于若干个明确定义的离散值表示的时间离散星火

# 模拟信号

  • 模拟信号是在一段连续的时间间隔内,其代表信息的特征量可以在任意瞬间程序为任意数值的信号

# 模拟通信

  • 利用正弦波的幅度、频率或相位的变化,或利用脉冲的幅度、宽度或位置变化来模拟原始信号,以达到通信的目的

# 数字通信

  • 用数值信号作为载体来传输消息,或用数字信号对载波就行数字调制后再传输的通信方式

sztxjc

# 数据通信计算


# 模拟信道带宽计算

W=f2f1W=f2-f1

  • 其中 f1 是低频,f2 是高频

# 尼奎斯特定理

最大数据速率=2Wlog2N=Blog2N最大数据速率=2W \log_2 N=B \log_2 N

  • 其中,W 表示带宽,B 表示波特率,N 是码元总的种类数

# 信息量 n 与码元种类 N 的关系

n=log2Nn =\log_2 N

# 香农公式

极限数据速率=带宽×log2(1+S/N)极限数据速率=带宽\times\log_2 (1+S/N)

  • 其中,S 为信号功率,N 为噪声功率

# 误码率

  • 指接收到的错误码元数在总传送码元数中所占的比例

PC=错误码元数/码元总数P_C = 错误码元数/码元总数

# 信噪比

信噪比=信号功率/噪声功率=S/N信噪比=信号功率/噪声功率=S/N

# 码元速率(波特率)

  • 即单位时间内载波参数(相位、振幅、频率等)变化的次数,单位为波特,符号 Baud ,简写 B

# 比特率(信息传输速率、信息速率)

  • 指单位时间内在信道上传达的数据量(即比特数),单位为比特每秒( bit/s ),简写 b/sbps

# 波特率与比特率的关系

比特率=波特率×单个调制状态对应的二进制位数=波特率×log2N比特率=波特率 \times 单个调制状态对应的二进制位数= 波特率\times\log_2 N

# 分贝数与信噪比的关系

dB=10lg(S/N)dB =10 \lg (S/N)

# 公式总结

gongshi

# 常用考试数据

# 单位换算

  • 通信换算进制 1000   1G=1000M
  • 存储换算进制 1024   1G=1024M

# 信道延迟

  • 总延迟时间

    T总延迟=T1+T2T_{总延迟}=T_1+T_2

    • 其中T1T_1 为发送延迟,T2T_2 为传输延迟
  • 电缆信道延迟:200m/us(200km/ms、200000km/s)为光速的 2/3

  • 卫星信道延迟:270ms

# 双绞线

  • 双绞线分为 非屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP
  • 100 米可达到 100MB/s

# 屏蔽双绞线

  • 三类线 —— 带宽 10Mbps—cat3
  • 五类线 —— 带宽 100Mbps—cat5
  • 超五类线 —— 带宽 100Mbps—cat5e
  • 六类线 —— 带宽 250Mbps—cat6

# 非屏蔽双绞线

  • 三类线 —— 带宽 16Mbps—cat3
  • 五类线 —— 带宽 100Mbps—cat5
  • 超五类线 —— 带宽 100Mbps—cat5e

# 双绞线线序标准

  • 分为 T568A 与 T568B

# T568A–交叉线

绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕

# T568B–直通线

橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕

# 交叉线与直通线的适用范围

线缆连接设备情况 采用的线缆种类
计算机 —— 计算机 交叉线
计算机 —— 交换机 直通线
计算机 —— 路由器 交叉线
交换机 —— 交换机 交叉线
交换机 —— 路由器 直通线
路由器 —— 路由器 交叉线

# 同轴电缆

  • 分为粗同轴电缆与细同轴电缆。 传送距离长,信号稳定的特点,常用于电监控、音响设备

  • 由里到外分别是:中心铜线,塑料绝缘体,网状导电层和电线外皮

  • 优点是传送距离长,信号稳定

  • 同轴电缆分为 RG-58(基带),RG-59(宽带)

    tzdl

# 光纤

  • 分为单模光纤 SMF 与多模光纤 MMF,黄色为单模,橙色水蓝色为多模

    gx

# 单模光纤与多模光纤的对比

项目 单模光纤 单模光纤
距离
速率
光源 激光 发光二极管
直径
端接 较难 较易
造价

# 无线信道

  • 分为 无线电波红外光波

  • 无线电波

    • 长波
    • 中波
    • 短波
    • 超短波
    • 微波
      • 地面微波
      • 卫星微波
  • 红外光波

    • 近红外线
    • 中红外线
    • 远红外线

# 模拟信道调制

  • 分为 调幅 ASK调频 FSK调相 PSK正交调幅 QAM

    tiaozhi

# 数字信道编码

  • 分为采样、量化、编码三步骤

# 调制技术与码元数

调制技术 名称 码元种类 N 比特位 n
ASK 幅度键控 2 1
FSK 频移键控 2 1
PSK 相移键控 2 1
DPSK 4 相键控 4 2
QPSK 正交相移键控 4 2

# 极性编码

参考视频:https://www.bilibili.com/video/BV1n441117x5?from=search&seid=10487131280885074075

  • 分为单极性、极性、双极性

    jxbm

    • 单极性码
      • 只有 一个极性,正电平为 0,零电平为 1
    • 极性码
      • 两个极性,正电平为 0,零电平为 1
    • 双极性码
      • 零电平为 0,正负电平交替翻转表示 1,这种编码不能定时,需要引入时钟

# 归零性编码

  • 分为归零码、不归零码、双相码

    gljxm

    • 归零码
      • 码元中间 信号回归到零电平,正电平到零电平转换变为 0,负点平到零电平转换变为 1,这种码元自定时
      • 通过 “归零” 这一步骤,相当于代替时钟信号编码在数据中,即可做到同步
      • 该编码效率较低
    • 不归零码
      • 码元中间信号不归零,1 表示电平翻转,0 不翻转,正电为 1,负电为 0
      • 因存在同步问题,计算机网络不使用该类编码
    • 双相码
      • 低到高表示 0,高到低表示 1,这种编码抗干扰性好,实现自同步

# 曼彻斯特码与差分曼码

  • 曼彻斯特码降 0 升 1,降 1 升 0,效率 50%

  • 差分曼码折 0 平 1,效率 50%

    cfmm

    • 曼彻斯特码
      • 低到高表示 0,高到低表示 1,码元中间电平转换既表示数据,又做定时信号
      • 使用在 10Mb/s 的传统以太网中,跳变时刻即表示数据,也表示时钟
    • 差分曼彻斯特码
      • 每一位开始处是否有电平翻转,有着表示 0,没有则表示 1
      • 跳变仅表示时钟,码元开始处才表示数据的变化

# 练习例题

  1. 设信道带宽为 4000Hz,信噪比为 30dB,按照香农定理,信道容量为

    • 4Kb/s
    • 1.6Kb/s
    • 40Kb/s
    • 120Kb/s
    • 使用香农公式 C = W log2(1+S/N)\log_2 (1+S/N) , 和公式 dB = 10 lg10(S/N)\lg_10 (S/N), 由 30dB 得到 S/N = 1000;于是 C = 4000 log2(1+1000)\log_2 (1+1000)  =  40000b/s;除以进率 1000,换算为 Kb/s 等于 40Kb/s
  2. 所谓正交幅度调制是把两个 的模拟信号合为一个载波信号。

    • 幅度相同相位相差 90°
    • 幅度相同相位相差 180°
    • 频率相同相位相差 90°
    • 频率相同相位相差 180°
  3. 地面上相距 2000km 的两地之间通过电缆传输 4000bit 长的数据包,数据速率为 64Kb/s,从喀什发送到接收完成需要花费的时间为

    • 48ms
    • 640ms
    • 32.5ms
    • 72.5ms
    • 一个数据包从开始发送到接收完成的总时间 = 发送时间 + 传播延迟时间;传播延迟时间 = 2000km/(200km/ms)=10ms; 发送时间 = 4000b/(6400b/s)=0.065s=62.5ms; 总时间 = 62.5+10=72.5ms
  4. PCM 编码是把模拟信号数字化的过程,通常模拟话音信道的带宽为 4000Hz,则在数字化采用频率至少 次 / 秒。

    • 2000
    • 4000
    • 8000
    • 16000
  5. 在异步通信中,每个字符包含一位起始位、7 位数据位、1 位奇偶位和 1 位终止位,每秒钟传送 200 个字符,采用 DPSK 调制,则码元速率为 B。

    • 200
    • 500
    • 1000
    • 2000
    • R=200*(1+7+1+1)=2000bps,根据 DPSK 默认是 2DPSK,也就是 2 相 N=2,带入 R=Blog2(N)\log_2 (N),数值为:2000=Blog2(2)\log_2 (2),得出波特率 B=2000
  6. 设信道带宽为 4000Hz,采用 PCM 编码,采用周期为 125us,每个样本量化为 128 个等级,则信道的数据速率为 Kb/s。

    • 10
    • 16
    • 56
    • 64
    • 128 个等级即 2^7=128,需要 yong7 位来表示,125us 的周期是每秒变化 8000 次,则有 7*8000=56000b/s=56Kb/s